MCU+DSP嵌入式平台的i机接口与引导设计

1 引言
      自动化控制要求实时采集数据，快速控制，多样分析，通信灵活，虽然采用单个处理器构成的硬件平台不能满足要求。采用以MCU+DSP双处理器为核心的硬件平台则是较合理的设计方案。利用DSP实现数据实时采集、分析、计算；MCU完成管理、通信、人机接口等异步系统控制功能。该硬件平台的MCU与DSP接口设计与数据传输是系统设计的重要部分，将直接影响系统性能和数据传输效率。数据传输通常采用双端口RAM、串行通信、并行主机等接口方式。其中，并行主机接口的方式可以满足大量数据实时传输要求。这里以MCF5272型和ADSP-BF527型数字信号处理器构建一种MCU+DSP双处理器的嵌入式平台，详细论述DSP通过主机DMA端口(Host DMA Port，简称HOSTDP)实现主机引导加载程序以及DSP与主机的通信。

2 MCU+DSP双处理器接口设计
      图l为MCU+DSP双处理器ADSP-BF527与MCF5272的接口电路。该嵌入式平台采用ColdFire系列的MCF5272型MCU作为主机。MCF5272具有基于第二代ColdFire V2的内核，32位数据和地址总线，SDRAM接口，4个16位定时器，3通道PWM输出，主频高达66 MHz，丰富的外部接口和较强的通信功能。此外，该器件还具有出色的编码密度和系统性能。

图1 ADSP-BF527与MCF5272的接口电路

      该系统DSP采用ADSP-BF527型数字信号处理器，该器件采用了微信号架构(MSA)，时钟频率达600 MHz，功耗低至O．8 V，支持强大的片上总线系统，具有多个独立的DMA控制器，拥有较强的并行数据处理能力。ADSP-BF527带有一个HOSTDP，便于与外部主机构成双处理器架构，完成多种数据处理和控制任务。ADSP-BF527的HOSTDP内部分为主机外部接口模块(HEI)、外围访问总线(PAB)接口模块、FIFO模块、控制逻辑模块和DMA接口模块。
      图1中，接口电路各信号的功能为：HWAIT为握手信号，防止Boot Kernel忙时主机写数据；HOST_DATA为16位数据总线，主机与从机数据交换的通道；HOST_ADDR为访问属性信号，O表示访问数据接口，l表示访问配置接口；HOST_CE为主机对从机使能；HOST_WR为主机写入HOSTDP使能信号；HOST_RD为主机读取HOSTDP使能信号；HOST_ACK为数据传输握手信号，应答模式下为HRDY，中断模式下为FRDY；TOUT为读写操作超时信号，应答模式下Host—Timeout计数溢出时产生；BMODE[3：0]为启动模式设置信号。

3 ADSP—BF527启动与程序加载
      ADSP—BF527复位包括硬件和软件复位，复位中断优先级最高。当释放RESET信号后，该处理器开始从片内BootROM的0xEF00 0000地址读取指令并执行。片内Boot ROM含有一个Boot引导核，用于预引导和加载用户数据。
3．1 预引导
      ADSP—BF527复位后，Boot引导核首先调用Preboot子程序。Preboot子程序通过访问一次可编程ROM(OTP)中的工厂设置页(FPS)和预引导设置页(PBS)来设置系统映射寄存器(MMR)，包括锁相环(PLL)、电源调节、SDRAM控制器、异步外部总线接口单元(EBIU)、HWAIT的信号模式以及0TP定制引导。
      PBS由用户设置，每次使用4页。当PBS出现错误时，可置0TPINVALID位，使其无效，再使用下一个4页。如果设置PBS首页的PLL和电源调节错误，可采用BMODE=0000引导模式补救。该模式预引导程序不读取PBS页，FPS处理后，ADSP-BF527处理器变为空闲状态。
      处于安全考虑，PBS页设置引导模式禁止／使能位，禁止其他引导方式。这样即使BMODE引脚设置对应这些禁止引导方式，不会引导Boot引导核进入空闲状态。

3．2 引导模式设置
      预引导结束后，Boot引导核根据BMODE[3：0]引脚设置启动相应的引导方式加载用户数据(引导流)。引导流为已定义格式，包含若干数据块和特殊指令，每数据块都含有一个16字节的块头，该块头由DSP的开发工具Visual DSP++设置生成，用于指示引导核是否完成引导过程。BMODE[3：0]引脚设置的引导模式包括无引导、主机引导和从机引导模式。引导模式设置如表1所示。
      其中无引导模式由厂商编程设置0TP页完成。主机引导模式中DSP自行加载用户数据．通常是从并行接口的Flash或者SPI、TWI接口的存储器读取数据。从机模式DSP作为从机，主机控制RESET信号。通常主机先设置RESET信号，然后通过检测HWAIT引脚等待预引导程序实现，最后提供加载用户数据。
3．3 HOST DMA引导模式
      该系统为MCU+DSP架构，主处理器MCF5272通过HOSTDP控制从机ADSP-BF527。ADSP—BF527的程序作为MCF5272数据写入Flash存储器中。该系统加电复位后，MCF5272向从机加载程序并引导启动。因此采用HOST DMA引导设计较灵活，独立存储器个数少，提高性能并降低成本。系统维护时，Flash中ADSP-BF527程序通过修改主机通信接口，提高产品维护效率。该设计的BMODE[3：0]引脚电平设置为1110，采用从机16位HOSTDP引导模式。
      当主机复位ADSP—BF527后，ADSP-BF527可从片上BootROM的0xEF00 0000地址执行预引导程序。预引导结束后，向主机发送HWAIT信号，主机开始向ADSP—BF527加载用户数据。用户数据加载完成后，主机发送HIR9命令，ADSP-BF527引导核执行调用指令，程序指针跳至EVTl寄存器内用户应用程序的首地址，将控制权交给用户应用程序。此时，引导结束。ADSP-BF527处理器继续执行用户应用程序。

4 HOSTDP数据传输
      ADSP-BF527通过外设接口总线设置HOST CONTROL寄存器的HOST_EN位使能HOSTDP。如果禁止HOSTDP，应在清除HOST_EN位前将HOST_RST置位。一旦使能HOSTDP则由外部主机控制。外部主机通过编程设置DMA发送和接收数据，并将其存储到ADSP-BF527有效的内部和外部存储器中。
4．1 HOSTDP设置
      数据传输前，主机需配置DMA控制器。主机首先读取从机HOST_STATUS寄存器的ALLOW_CNFG位。如果允许配置，主机将向HOSTDP发送7个16位控制字。主机通过这些控制字配置HOSTDP的DMA读写、DMA模式、起始地址等参数。接收所有控制字后，ADSP-BF527根据控制字重新配置HOETDP。在配置完成前，主机处理器不允许提供新控制字。通过写入控制字，该设计将DMA设置为应答模式，数据传输采用停止模式。
      总线宽度16位，以先传输低位数据的顺序传输数据。配置完成后，主机以所配置的方式读写数据，从而实现数据传输。数据传输过程中，通过ADSP-BF527软件编程设置控制寄存器中HER和EHW位使能或禁止主机读写HOSTDP，HER和EHW的设置，不会影响到写配置口、控制命令和读状态。由于主机不能查询HOSTDP的HER和EHW位，因此，该系统设计ADSP-BF527一直保持HER和EHW位使能。
4．2 数据读写流程
      当使能HOSTDP,DMA通道配置后，主机通过所配置的DMA通道与ADSP—BF527通信。数据读写时，在有效数据的最后需附加一个传输终止字确保数据传输。数据写操作用于主机向从机的数据传输。MCF5272将ADSP-BF527所需的信号与设置写入HOSTDP的FIFO，DMA同时将从FIFO移出数据，并存储到DMA配置字规定的存储器。数据读操作用于从机向主机数据传输。ADSP—BF527的DMA将从机存储器中的数字信号处理结果移至HOSTDP的FIFO。主机执行读操作，从FIFO中读取数据。
      停止模式下ADSP-BF527的HOSTDP读写操作流程如图2所示。其中，DMA_DONE位在DMA将FIFO数据移出后置1，在下一次主机写数据时置O。HOSTRD_DONE位在主机将FIFO的数据移出后置l，下一次主机读操作，DMA向FIFO传输数据时置为0。

      应答模式下，主机对HOSTDP的操作时序如图3所示。在预定读写溢出时间内，ADSP-BF527仍未完成相应的读写操作，主机未接收到HRDY信号，主机超时寄存器计数溢出并产生超时中断。该设计的中断服务程序首先通过GPIO引脚告知主机数据读写失败，停止DMA通道数据传输；当主机重置HRDY信号为高电平，允许下一周期继续传输数据；并禁止HOSTDP，在停止模式下，具体的主机读写数据流程如图4所示。

5 结语
      随着自动化领域监测、控制任务对嵌入式系统的要求不断提高，多处理器硬件系统模式的快速发展，电子技术和半导体加工工艺的发展促使DSP和MCU的融合。因此，MCU+DSP的双处理器结构已成为多核处理器的发展方向。